СТРУКТУРА БИПОЛЯРНОГО ТРАНЗИСТОРА В СОСТАВЕ БИКМОП ИС Российский патент 2003 года по МПК H01L27/06 

Областью применения изобретения является микроэлектроника, а именно БиКМОП приборы, у которых на одном кристалле формируются биполярные и полевые транзисторы, существенно расширяющие функциональные возможности и эффективность цифровых и аналоговых схем.

Однако БиКМОП структуры традиционно требуют использования эпитаксиальных и скрытых слоев в структуре биполярных транзисторов, что существенно усложняет процесс изготовления БиКМОП [1] в сравнении с более простыми КМОП структурами.

В последнее время появились сообщения о создании БиКМОП ИС с биполярным транзистором, имеющим структуру 3Д (трех диффузий), без использования дорогостоящих эпитаксиальных и скрытых слоев, в которых сопротивление коллектора снижается до "нормального" уровня с помощью новых простых приемов, например в результате формирования профиля с "обратным градиентом" [2], когда с помощью глубокой высокоэнергетической имплантации примесь "утапливается" под область базы, создавая под базой область высокой концентрации, играющую роль "скрытого слоя".

Структуры, подобные [2], не получили широкого использования в ИС из-за высокого уровня дефектов в транзисторах при имплантации примеси на большую глубину с помощью высоких энергий.

Наиболее близким к изобретению является структура биполярного транзистора [3] , включающая область коллектора, области базы и эмиттера, контакты к областям коллектора, базы и эмитера, полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы с трех сторон, кроме четвертой стороны, где располагается контакт к области базы, высоколегированную область в базе одного с базой типа проводимости вокруг области эмиттера.

На фиг. 1 приведена структура биполярного транзистора с "классической" конструкцией с эпитаксией и "скрытыми" слоями, а на фиг.2 приведена структура прототипа, в которой функцию эпитаксии и "скрытых" слоев выполняет высоколегированная область под полевым диэлектриком между эмиттером и контактом к коллектору - являющаяся "шунтом".

Анализ технического решения, заявленного в прототипе [3], показывает, что оно не полностью обеспечивает получение высоких параметров транзистора, соответствующих "классической биполярной структуре", используемой в современных высококачественных СБИС.

Недостатками структуры биполярного транзистора с конструкцией прототипа является повышенное сопротивление коллектора по сравнению с "классической" структурой со скрытыми слоями", приводящее к потерям мощности и к задержке распространения сигнала в высокочастотных ИС.

Это обусловлено тем, что в "классическом" современном транзисторе сопротивление коллектора определяется тонким эпитаксиальным слоем между базой и "скрытым" слоем, достаточно хорошо контролируемым технологией в несколько десятых микрона, и составляет ~ 50-100 Ом в зависимости от удельного сопротивления эпитаксиального слоя и размера эмиттера.

В то же время в транзисторе с "шунтом" сопротивление коллектора определяется горизонтальным участком коллектора под базой: "протяженностью" от эмиттера до "шунта" под полевым окислом, составляющей ~ 1,0-1,5 мкм, т.е. примерно в три раза больше, чем в "классическом" транзисторе.

В техническом решении, используемом в прототипе, сопротивление коллектора может эффективно уменьшаться в количество раз, равное числу сторон базы, охватываемых шунтом. В прототипе шунт охватывает базу максимально с трех сторон, четвертая сторона базы занята контактом к базе.

Кроме того, диффузионный коллектор в прототипе в отличие от эпитаксиального коллектора "классического" транзистора характеризуется "обеднением" диффузионной примеси в коллекторе под базой, изменяющейся по Гауссу от ~ 10¹⁶ см^-3 (типичное значение для классического транзистора) до ~ 10¹⁵ см^-3, в результате чего среднее удельное сопротивление коллектора под базой в несколько раз выше, чем в классическом транзисторе с эпитаксиальным слоем.

Частично в прототипе приняты меры по повышению концентрации примеси в коллекторе под базой - в результате боковой диффузии примеси из высоколегированной области шунта (фиг.2). Однако при этом легируются только участки коллектора около шунта, участок коллектора вблизи активной базы и непосредственно под активной базой остается без подлегирования, поскольку проводить диффузию примеси из шунта вплоть до активной базы с требуемой концентрацией (~ 10¹⁶ см^-3) невозможно, это привело бы, с учетом диффузионного характера распределения примеси из шунта, к недопустимо большому увеличению примеси в коллекторе под пассивной базой вблизи шунта и под эмиттером, в результате, к недопустимо низким значениям пробивных напряжений и высокой паразитной емкости перехода база - коллектор и низким значениям коэффициента усиления транзистора.

Таким образом, техническое решение, используемое в прототипе, только частично устраняет указанный недостаток (высокое сопротивление коллектора), так как "шунт" охватывает эмиттер с 3 сторон, в то время как с четвертой стороны размещен контакт к базе, занимающий до 40% периметра эмиттера, не участвующего в снижении сопротивления коллектора, а область коллектора вблизи и непосредственно под активной базой транзистора остается обедненной.

Задачей, на решение которой направлено изобретение, является достижение технического результата, заключающегося в снижении сопротивления коллектора за счет введения новой структуры биполярного транзистора с шунтом, охватывающим эмиттер с 4 сторон, и использования высоколегированной области, "встроенной" в коллектор непосредственно под активной базой, позволяющей фактически устранить обеднение в области коллектора под всем участком базы и получать значения сопротивления коллектор не выше, чем в "классическом" транзисторе, что обеспечивает возможность получения низких задержек прохождения сигнала и высокого быстродействия ИС.

Для достижения названного технического результата в структуре биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС, включающей области коллектора, области базы и эмиттера, контакты к областям коллектора, базы и эмиттера, изолирующий полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы с любой из трех сторон, кроме четвертой стороны, где создается контакт к области базы, высоколегированная область одного с областью коллектора типа проводимости под изолирующим полевым окислом окружает область базы с четырех сторон и при этом контакт к области базы осуществляется через электрод из поликристаллического кремния, а другая высоколегированная область одного с коллектором типа проводимости располагается в коллекторе под областью активной базы.

Таким образом, отличительными признаками предлагаемого изобретения является то, что высоколегированная область одного с областью коллектора типа проводимости под изолирующим полевым окислом окружает область базы с четырех сторон и при этом контакт к области базы осуществляется через электрод из поликристаллического кремния, а другая высоколегированная область одного с коллектором типа проводимости располагается в коллекторе под областью активной базы.

На фиг. 3. приведена структура с шунтом по новому техническому решению, охватывающим базу транзистора с четырех сторон (1-й шунт), с высоколегированной областью одного с коллектором типа проводимости, располагаемой в коллекторе под областью активной базы (2-й шунт), позволяющая приблизить значения сопротивления коллектора до значений сопротивления "классического" транзистора.

Новая конструкция транзистора предусматривает расположение поликристаллического кремниевого электрода базы вокруг эмиттера, что не требует формирования локального контакта к базе и делает возможным расположение шунта с четырех сторон.

Кроме того, в новой конструкции предусмотрена высоколегированная область в коллекторе непосредственно под базой, позволяющая фактически устранить высокоомную составляющую сопротивления коллектора и получать значения сопротивления коллектора не выше, чем в "классическом" транзисторе.

Проведенные патентные исследования показали, что совокупность признаков предлагаемого изобретения является новой, что доказывает новизну заявляемого прибора.

Кроме того, патентные исследования показали, что в литературе отсутствуют данные, показывающие влияние отличительных признаков заявляемого изобретения на достижение технического результата, что подтверждает изобретательский уровень предлагаемой конструкции прибора.

Данная совокупность отличительных признаков позволяет достичь названный технический результат.

Пример. В монокристаллической пластине марки КДБ 12 создают карманы n типа проводимости имплантацией фосфора с дозой 1 мккул/см² и последующей разгонкой при температуре 1100^oС в течение 3 часов, формируют маску из нитрида кремния на поверхности, имплантируют через маску в области карманов вокруг расположения будущих базовых областей примеси фосфора и мышьяка с дозой соответственно 10 и 300 мккул/см² для формирования высоколегированных областей, отжигают структуру в течение 1,5 часов при температуре 1000^oС, методом термического окисления при 1000^oС формируют через маску полевой окисел толщиной 0,6 мкм, создают базовые области p типа имплантацией бора с дозой 6 мккул/см² и энергией 40 КэВ, формируют подзатворный окисел толщиной 180 А термическим окислением в парах воды при 850^oС, осаждают первый слой поликристаллического кремния толщиной 0,15 мкм пиролизом моносилана при температуре 640^oС, удаляют первый слой поликристаллического кремния ПХТ травлением в местах формирования окна эмиттера, высокоэнергетической имплантацией с дозой 5 мккул/см² и энергией 300 КэВ вводят примесь фосфора для создания высоколегированного слоя в коллекторе под активной базой, осаждают второй слой поликристаллического кремния толщиной 0,15 мкм при температуре 640^oС разложением моносилана, легируют его имплантацией мышьяка с дозой 600 мккул/см², осаждают первый металлический силицидный и первый диэлектрический слои, травят через маску фоторезиста электрод эмиттера из поликристаллического кремния, окисляют торцевую часть электрода из поликристаллического кремния, формируют слои нитрида кремния толщиной 0,2 мкм на боковых стенках электрода с удалением его с горизонтальных участков RIT травлением, осаждают третий слой поликристаллического кремния толщиной 0,2 мкм, легируют его имплантацией бора с дозой 600 мккул/см², после чего отжигают структуру при температуре 850^oС в течение 30 минут, осаждают слой диэлектрика толщиной 0,5 мкм, вскрывают в нем контактные окна и формируют металлические электроды из алюминия.

Пример, описанный выше, является частным случаем, в котором используется предлагаемый способ. Предлагаемый способ может использоваться для создания также БиКМОП приборов с любым набором полевых или биполярных транзисторов, не выходя за пределы патентных притязаний.

Литература:
1. Патент РФ 2141149, приоритет от 19.08.1998 г.

2. H.Yoshida et al. "An RF BiCMOS Process using High f_SR Spiral Inductor with Premetal Deep Trenches and A Dual Recessed Bipolar Collector Sink", IEDM 98-213 p.8.5.1.

3. Патент WO 95/05679, приоритет от 15.08.1994 г.

Использование: микроэлектроника, а именно БиКМОП приборы, у которых на одном кристалле формируются биполярные и полевые транзисторы, существенно расширяющие функциональные возможности и эффективность цифровых и аналоговых схем. Сущность изобретения: в пластине кремния, включающей области коллектора, области базы и эмиттера, контакты к областям коллектора, базы и эмиттера, изолирующий полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы, высоколегированная область одного с областью коллектора типа проводимости под изолирующим полевым окислом окружает область базы с четырех сторон и при этом контакт к области базы осуществляется через электрод из поликристаллического кремния, а другая высоколегированная область одного с коллектором типа проводимости располагается в коллекторе под областью активной базы. Техническим результатом изобретения является снижение сопротивления коллектора за счет введения новой структуры биполярного транзистора с шунтом, охватывающим эмиттер с четырех сторон. 2 с.п. ф-лы, 3 ил.

1. Структура биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС, включающая области коллектора, области базы и эмиттера, контакты к областям коллектора, базы и эмиттера, изолирующий полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы, отличающаяся тем, что высоколегированная область одного с областью коллектора типа проводимости под изолирующим полевым окислом окружает область базы с четырех сторон, а контакт к области базы осуществляется через электрод из поликристаллического кремния. 2. Структура биполярного транзистора в составе БиКМОП ИС, включающая области коллектора, области базы и эмиттера, контакты к областям коллектора, базы и эмиттера, изолирующий полевой окисел вокруг области базы транзистора и между областями базы и контакта к коллектору, высоколегированную область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенную под полевым окислом, окружающим область базы, отличающаяся тем, что высоколегированная область одного с областью коллектора типа проводимости, расположенная под изолирующим полевым окислом, окружает область базы с четырех сторон и при этом контакт к области базы осуществляется через электрод из поликристаллического кремния, а другая высоколегированная область одного с коллектором типа проводимости располагается в коллекторе под областью активной базы.